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 伴隨著可再生的風、光等非化石能源的發(fā)展，能源和環(huán)境方面的種種壓力和問題將不斷得到改善。然而像光能、風能等能源具有不穩(wěn)定、不連續(xù)、不可控等缺點，而這些往往會造成巨大的能量損失。僅在2016年，我國由于不可控而造成的棄風、棄光電量就達到了500億千瓦時，而這一數(shù)據(jù)已經(jīng)超過了某些國家一年的用電量。要解決這一問題，就需要儲能器件和技術(shù)的進一步發(fā)展，而大規(guī)模儲能的瓶頸之一就是能源存儲和轉(zhuǎn)換材料的發(fā)展。

碳材料，特別是二維碳材料，如石墨炔、石墨烯，具有高度共軛的碳骨架、均勻分布的孔隙和二維層狀平面特性，擁有巨大的應(yīng)用前景。其中由苯環(huán)和炔鍵鏈接構(gòu)成的石墨炔類碳材料，具有更大的孔道構(gòu)造和大量的sp雜化碳原子，能夠提供豐富的離子通道和催化活性位點。中國科學院青島生物能源與過程研究所碳基材料與能源應(yīng)用研究組研究發(fā)現(xiàn)，石墨炔碳材料可以通過前驅(qū)體控制、化學鍵合、熱處理等方式引入特定的異原子，增加更多的活性位點或者催化中心，進而制備出電化學性能更好的儲能材料、電催化材料，在電化學儲能、燃料電池電催化等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。

研究組基于石墨炔類碳材料的可控制備和應(yīng)用，在可充電電池、太陽能電池、催化劑和電子材料等領(lǐng)域均取得一系列進展。石墨炔中富含大量的乙炔鏈，而這些乙炔鏈中的sp雜化碳一方面可以作為反應(yīng)的活性位點，同時也可以作為異原子的附著點位，研究人員充分利用石墨炔的這一特點，通過對石墨炔類碳材料進行異原子摻雜（如鐵、氮、硫等）制備得到了石墨炔異原子摻雜材料；進一步的應(yīng)用研究表明，所制備的摻雜石墨炔類碳材料在鋰離子電池、鋰離子電容器、鈉離子電容器以及電催化等器件應(yīng)用中均表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學性能。

相關(guān)成果已經(jīng)分別作為期刊封面發(fā)表在國際期刊CARBON, Chem. Eur. J., ChemSusChem 和ChemElectroChem 上(DOI: 10.1016/j.carbon.2018.05.049, 10.1002/celc.201800300, 10.1002/celc.201800516, 10.1002/cssc.201802170, 10.1002/chem.201900477, 10.1002/chem.201900943)。

上述研究成果對于新型碳材料的開發(fā)制備及其催化、儲能應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。該研究得到國家自然科學基金項目、中科院前沿重點項目、山東省自然科學基金的支持。